17 страница. teren chaotycznie ukształtowany <300 wschodni

teren chaotycznie ukształtowany <300 wschodni

zdegradowany materiał kraterowy <300 południowy

Hebes Chasma 600 zachodni

środek Lunae Planum 650 północny

północne równiny 1 200 północno-zachodni

Kasei Yallis 1 300 północny

miejsce lądowania Yikinga 1 1 400 północno-wschodni

niecka

prehistorycznego jeziora 1 500 północno-wschodni

wypływy wulkaniczne 2000 zachodni

Pavonis Mons 2 500 zachodni

wypraw na Marsa tylko o mniej więcej połowę. Natomiast zwiększenie swobody poruszania po powierzchni planety może potencjalnie spowodować aż stukrotny, lub jeszcze większy, wzrost skuteczności i efektywności misji.

Zaczynamy rozumieć, że podczas oceny stopnia efektywności i oszczędności projektu załogowych badań Marsa największe znaczenie należy przypisać możliwości swobodnego podróżowania załogi po powierzchni planety.

Marsjańskie pojazdy

Marsjański pojazd można zbudować, wykorzystując koła, gąsienice, półgąsienice, a nawet zmotoryzowane nogi; wszystkie

200 • CZAS MARSA

te rozwiązania umożliwiają jazdę po powierzchni planety. Najważniejsza kwestia to sposób zasilania.

Dotychczas jedynym pojazdem samochodowym w przestrzeni kosmicznej był księżycowy rover misji Apollo - elektryczny pojazd otwarty napędzany przez baterie. Najnowsze baterie lito-wo-jonowe (wykorzystywane w nowoczesnych kamerach wideo), wystarczająco naładowane, by zapewniać roverowi moc przez dziesięć godzin, umożliwiają produkcję około 10 W na każdy kilogram swej masy. Zastosowanie zamiast baterii ogniw paliwowych wodorowo-tlenowych, takich jak w promie kosmicznym, pozwala zwiększyć stosunek moc/masa do około 50 W/kg. Poprawa jest niewątpliwa, jednak blednie w porównaniu z technologią znacznie lepiej znaną z zastosowań domowych.

Dla silników wewnętrznego spalania stosunek moc/masa może wynieść 1000 W/kg, czyli prawie 20 razy więcej niż dla ogniw paliwowych wodór/tlen oraz 100 razy więcej niż zestaw baterii. Silniki spalinowe wytwarzają znacznie więcej mocy niż jakiekolwiek inne układy, mając znacznie mniejszą masę (z tego właśnie powodu są stosowane w większości ziemskich pojazdów); wynikają stąd ważne implikacje dla konstrukcji marsjańskiego pojazdu. Przy określonej masie systemu podtrzymywania funkcji życiowych zasięg pojazdu będzie wprost proporcjonalny do prędkości, która również wprost proporcjonalnie zależy od mocy silnika. Próba zastosowania innego systemu napędu o mocy podobnej do mocy silnika spalinowego nieodmiennie prowadzi do nadmiernego wzrostu masy układu. Wyobraźmy sobie rovera wyposażonego w generator mocy 50 kW (w przybliżeniu 65 koni mechanicznych). Silnik spalinowy musiałby mieć masę tylko 50 kg, podczas gdy zestaw ogniw paliwowych, dający tę samą moc, ważyłby mniej więcej 1000 kg. W porównaniu z pojazdem napędzanym przez ogniwa paliwowe identycznej mocy pojazd z silnikiem spalinowym może zabrać dodatkowo 950 kg wyposażenia do badań naukowych i potrzebnych materiałów, zapewniając znacznie większą trwałość, możliwości i zasięg. Pojazd z silnikiem spalinowym ma w zasadzie nieograniczoną moc, umożliwiając przeprowadzanie w oddalonych od bazy punktach eksperymentów

.

ODKRYWANIE MARSA • 201

naukowych, które wymagają sporych ilości energii. Na przykład członek załogi może wybrać się roverem do odległego miejsca i wygenerować 50 kW na pracę urządzenia wiertniczego, próbując dostać się do podpowierzchniowej warstwy wody na Marsie. Prędkość transmisji danych z rovera również jest proporcjonalna do mocy i może być znacznie większa, co poprawi bezpieczeństwo załogi i zwiększy ilość transmitowanych danych naukowych. Silniki spalinowe mogą także zapewnić dużą moc dla potrzeb bazy głównej lub odległego miejsca budowy (gdzie pracują buldożery itp.). Po podsumowaniu dochodzimy do wniosku, że większa wydajność silników spalinowych umożliwia większą mobilność przy mniejszych rozmiarach i wadze oraz znacznie większych możliwościach pojazdów. Fakt ten przekłada się bezpośrednio na koszty marsjańskich misji. Pojazdy z silnikami spalinowymi będą niezbędne przy podejmowaniu jakiejkolwiek poważnej działalności na Marsie.

Jest jednak pewien szkopuł. Silniki spalinowe potrzebują bardzo dużo paliwa. Ważący tonę ciśnieniowy rover terenowy zużyje na przejechanie l km mniej więcej 0,5 kg dwuskładnikowej mieszaniny napędowej metan/tlen. Potrzeba więc 400 kg paliwa, by przedsięwziąć liczącą 800 km wyprawę - ośmiodniową wycieczkę przy średniej prędkości około 100 km dziennie. Aby dobrze wykorzystać trwający 600 dni pobyt na powierzchni Marsa, należy odbyć wiele podobnych wypraw. Podróżowanie roverem przez 300 z 600 dni na Marsie wymaga 15 ton paliwa. Przywożenie z Ziemi tak ogromnego ładunku pozbawione byłoby sensu. Okazuje się, że korzystanie na powierzchni Marsa z pojazdów z silnikami spalinowymi zmusza do wytwarzania potrzebnego paliwa na Czerwonej Planecie.

Silnik spalinowy marsjańskiego pojazdu może być dowolnym współcześnie stosowanym na Ziemi silnikiem cyklicznym: silnikiem na wewnętrzne spalanie, silnikiem Diesla lub turbiną gazową. Próba spalania w silniku spalinowym czystego paliwa rakietowego, na przykład mieszaniny metan/tlen, skończy się rozgrzaniem do tak wysokiej temperatury, że pojazd nie będzie gwarantował niezawodności i długiego czasu pracy. Problem zniknie, jeśli rozcieńczymy mieszaninę napędową atmosferycz-

202 • CZAS MARSA

nym dwutlenkiem węgla, wciąganym przez wiatraczek. Dwutlenek węgla zachowuje się jak wewnętrzny bufor, obniżając temperaturę płomienia podobnie jak na Ziemi azot w powietrzu.

Stosunek energia/masa użytego paliwa ma kluczowe znaczenie dla zasięgu rovera terenowego napędzanego chemicznym silnikiem spalinowym. Teoretycznie nadaje się do tego każda dwuskładnikowa mieszanina napędowa, lecz względy logistyki transportowej każą produkować na Marsie z lokalnych zasobów przynajmniej większość zużywanego paliwa. Tabela 6.2 podaje listę potencjalnych mieszanin napędowych.

Marsjańska atmosfera w 95% składa się z dwutlenku węgla i dlatego połączenia wodór/dwutlenek węgla (H2/CO2) i hydra-zyna/dwutlenek węgla (N2H4/CO2) z tabeli 6.2 działają jak silniki zasysające powietrze, podobnie jak silniki wewnętrznego spalania i silniki odrzutowe na Ziemi. W obu przypadkach podana wartość stosunku energia/masa równa się wytworzonej energii na jednostkową masę paliwa z wyłączeniem zawartego w nim dwutlenku węgla, który jest na Marsie dostępny bez ograniczeń i nie trzeba go wozić w pojeździe. Nie ulega wątpliwości, że z punktu widzenia stosunku energia/masa silnik wykorzystujący mieszaninę wodoru i dwutlenku węgla przewyższa wszystkie inne rozważane warianty. Niestety, przechowywanie wodoru stwarza poważne trudności i zastosowanie w roverze terenowym układu na wodór wydaje się niepraktycznym rozwiązaniem. Biorąc to pod uwagę, dochodzimy do wnio-

Tab. 6.2. Dwuskładnikowe materiały napędowe, nadające się do spalania w silnikach marsjańskich pojazdów terenowych.

DWUSKŁADNIKOWE MATERIAŁY NAPĘDOWE

GĘSTOŚĆ ENEGRII W h/kg W h/litr

wodór /dwu tlenek węgla 25,833 416

hydrazyna/ dwu tlenek węgla 1,329 1,111

wodór/tlen 3,750 1,312

tlenek węgla/ tlen 1,816 2,144

metanol/tlen 2,129 2,093

metan/tlen 2,800 2,380

ODKRYWANIE MARSA • 203

sku, że najkorzystniejszy okazuje się wysoce wydajny dwuskładnikowy materiał napędowy metan/tlen. Dobrze się składa, ponieważ właśnie mieszanina metan/tlen byłaby najłatwiejsza w produkcji na Marsie. Jednocześnie najlepiej nadaje się do wykorzystania jako materiał napędowy dla rakiet startujących z powierzchni Marsa. Projekt Mars Direct przewiduje użycie mieszaniny metan/tlen jako paliwa dla statku powrotnego (ERV), dzięki czemu instalacja chemiczna do lokalnej produkcji rakietowego materiału napędowego (ISPP) może jednocześnie wytwarzać paliwo dla roverów.

Rover będzie zatem spalać mieszaninę metan/tlen, rozcieńczoną dwutlenkiem węgla. W wyniku pracy silnika powstaną odpady: dwutlenek węgla i woda. Bezwartościowy dwutlenek węgla (który w atmosferze zawsze występuje w nadmiernych ilościach) można wydalać poprzez rurę wydechową. Inaczej z wodą: wyposażenie poprawnie skonstruowanego marsjań-skiego rovera musi zawierać układ kondensatorów, odzyskujących wodę, która powstała jako produkt uboczny spalania. (Nie powinno to nastręczać trudności. W latach dwudziestych naszego wieku postępowano w ten sposób na sterowcach amerykańskiej marynarki wojennej, wykorzystując wodę jako balast). Po powrocie z wycieczki roverem skondensowana woda będzie dostarczana do bazowej jednostki chemicznej, by po dodaniu do dwutlenku węgla posłużyć do zsyntetyzowania paliwa metan/tlen. Odzyskanie 90% wody pozwoli użyć tej samej partii paliwa do rovera co najmniej dziesięciokrotnie.

A jak w roverze wygląda system podtrzymywania funkcji życiowych? Jednostka ISPP, wytwarzająca paliwo, może bez trudu i w nieograniczonych ilościach produkować na powierzchni Marsa tlen z dwutlenku węgla, stanowiącego 95% atmosfery planety. Niestety, łączna zawartość argonu i azotu w marsjań-skiej atmosferze wynosi zaledwie 4,3%, więc bardzo brakuje gazu buforowego, potrzebnego do oddychania. (Dwutlenek węgla nadaje się na gaz buforowy dla silnika, ale nie do oddychania; w stężeniu powyżej 1% jest dla człowieka trujący). W takiej sytuacji niezbędne staje się utrzymywanie w miejscach zamieszkania załogi atmosfery o najniższej dopuszczalnej

204 • CZAS MARSA

zawartości gazu buforowego. W przypadku modułu mieszkalnego na powierzchni Marsa polecam atmosferę 5 psi1 (7 części tlenu, 3 części azotu), wykorzystywaną przez astronautów NASA podczas długich pobytów na stacji Skylab w latach siedemdziesiątych.

Załogi Apollo funkcjonowały w odmiennej atmosferze, składającej się z tlenu 5 psi, bez żadnego gazu buforowego. Maksymalny czas trwania wypraw roverem jest zbliżony do czasu misji Apollo, dlatego, moim zdaniem, w roverach hermetycznych należy używać takiej właśnie atmosfery. Byłoby to rozwiązanie bardzo korzystne, ponieważ niskociśnieniowy rover nie wymaga śluzy powietrznej, może zatem być znacznie lżejszy. Aby opuścić rover (by podjąć działalność poza wehikułem, czyli EVA), astro-nauci muszą przywdziać skafandry kosmiczne, usunąć czysto tlenową atmosferę z kabiny rovera, otworzyć właz i wyjść. Brak azotu w mieszaninie powietrznej pozwala rozhermetyzować ro-ver, ponadto nieobecność azotu we krwi astronautów chroni przed chorobą kesonową. Przy objętości rovera wynoszącej 10 m3 każde rozhermetyzowanie oznacza utratę 3,3 kg tlenu. Wypompowanie, przed otwarciem zaworu, części atmosfery do sprężonych cylindrów na tlen pozwoli jeszcze bardziej zredukować straty tlenu. W każdym razie straty tlenu z łatwością będą pokrywane dzięki produkcji w jednostce chemicznej w bazie. Niskociśnieniowy rover umożliwiłby stosowanie niskociśnienio-wych kombinezonów (tlen 3,8 psi, bez gazu buforowego, podobnie jak w misji Apollo) do celów EVA; nie jest wtedy potrzebny okres kesonowania przed opuszczeniem pojazdu i podjęciem EVA. Kombinezon taki byłby najlżejszy i najbardziej elastyczny, a zatem najwygodniejszy podczas przeprowadzania doświadczeń naukowych. (Współczesne kombinezony, używane na promie kosmicznym, to w istocie malutkie statki kosmiczne; są zbyt ciężkie, by wykorzystać je na Marsie). Tlen można uzupełnić, dlatego odpowiedni byłby kombinezon z prostym układem wentylacyjnym, usuwającym wydychane powietrze do środowiska zewnętrznego (podobnie jak akwalung). Przy okazji udałoby

1 14,7 psi = l bar; l psi = 0,07 atm = 6,9 x 103 N/m2 (przyp. red.)-

ODKRYWANIE MARSA • 205

się bardzo uprościć konstrukcję kombinezonów kosmicznych, zmniejszyć ich wagę, zwiększyć niezawodność, a ponadto przyczynić się do poprawy skuteczności wypraw na Marsa, gdyż stałoby się możliwe przeprowadzenie na powierzchni Marsa nie dziesiątek, lecz tysięcy spacerów powierzchniowych.

Przy prędkości oddychania mniej więcej 20 000 cm3 na minutę astronauta w niskociśnieniowym tlenowym kombinezonie typu akwalung zużyje 1,3 kg tlenu podczas EVA trwającej 4 godziny. Dwie EVA dwóch astronautów w ciągu jednego dnia wycieczki wymagają (wraz z dwukrotnym otwarciem rovera) 12 kg tlenu. W przypadku wykorzystywania rovera codziennie podczas 600 dni pobytu na powierzchni Marsa zużycie tlenu wyniesie 7 ton. Przywiezienie tak dużej ilości tlenu z Ziemi byłoby nie lada obciążeniem. Produkcja 7 ton tlenu na Marsie zajmie tylko 24 dni w jednostce ISPP zasilanej reaktorem 60 kW.

Produkcja paliwa na Marsie

W tym miejscu rozważań powinno być już oczywiste, że nasze możliwości dotarcia na Marsa i zrobienia tam czegoś pożytecznego są uzależnione od technologii produkcji materiału napędowego z marsjańskiej atmosfery. Czy rzeczywiście jest to możliwe? Z całą pewnością tak. Wszystkie procesy chemiczne potrzebne podczas produkcji paliwa są z powodzeniem stosowane na dużą skalę na Ziemi od ponad 100 lat.

Pierwszy etap produkcji materiału napędowego polega na zdobyciu potrzebnych surowców. Wodór, stanowiący zaledwie 5% masy mieszaniny napędowej, może być przywożony z Ziemi. Mocna, wielowarstwowa izolacja zbiorników z wodorem podczas trwającego 6-8 miesięcy rejsu z Ziemi na Marsa pozwala zmniejszyć do 1% miesięczne straty, spowodowane parowaniem ciekłego wodoru, bez konieczności intensywnego mrożenia. Ponieważ na Marsie wodór nie będzie bezpośrednio wprowadzany do silnika, w zbiorniku statku można go przechowywać w postaci żelu (roztworu koloidalnego) z niewielką ilością metanu, co przeciwdziała przeciekom. Ponadto żelowanie ładunku

206 • CZAS MARSA

wodoru ogranicza konwekcję w zbiorniku, zmniejszając jeszcze bardziej straty związane z parowaniem (nawet o 40%).

Z surowców na Marsie trzeba jedynie uzyskać węgiel i tlen. Nie ma z tym problemu, gdyż właśnie te dwa pierwiastki stanowią większość marsjańskiej atmosfery - składającej się w 95% z dwutlenku węgla - są więc w każdym miejscu planety dostępne „za darmo". Zgodnie z pomiarami przeprowadzonymi w miejscu lądowania dwóch Yikingów ciśnienie atmosferyczne na Marsie w ciągu roku waha się od 7 do 10 mbar (ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi na wysokości O m n.p.m. wynosi l bar; 10 mbar, czyli milibarów, to 1% ciśnienia atmosferycznego na powierzchni Ziemi na wysokości O m n.p.m.). W wyżej położonym miejscu lądowania Yikinga l na Chryse Planitia średnie roczne ciśnienie atmosferyczne wynosi 8 mbar. W 1709 roku angielski fizyk, Francis Hawksbee, zademonstrował pompę zdolną pobierać gaz o takim ciśnieniu i sprężać do nadającego się do wykorzystania ciśnienia l bar. Współcześnie dostępne są znacznie lepsze pompy tego rodzaju, nie ma jednak wcale potrzeby sprężania dwutlenku węgla. Można użyć podłoża sorbentowego, które jak gąbka nasiąka dwutlenkiem węgla. Wystarczy wypełnić słój aktywnym węglem lub zeolitem i wystawić przez noc na działanie marsjańskiej atmosfery. Podłoże materiałowe nasiąknie dwutlenkiem węgla do 20% swej wagi podczas niskich nocnych temperatur (-90°C). Po nadejściu dnia ogrzanie podłoża do temperatury około +10°C spowoduje wydzielanie się dwutlenku węgla. Można w ten sposób uzyskać bardzo wysokie ciśnienia gazowego dwutlenku węgla przy niskim zużyciu energii, w układzie nie wykorzystującym żadnych ruchomych części. By spowodować wydzielanie się gazu, można też wykorzystać energię cieplną odpadów, powstających w jednostce chemicznej podczas produkcji materiału napędowego. Wraz ze współpracownikami z Martin Marietta w moim firmowym laboratorium skonstruowaliśmy układ działający w ten sposób. Funkcjonował zupełnie dobrze.

Kontrola jakości procesu wytwarzania paliwa wymaga, by do reaktorów chemicznych nie dostawały się substancje o nie zna-

ODKRYWANIE MARSA • 207

nym składzie, czyli marsjański pył. Osiągamy to, zakładając na otworze wlotowym do podłoża filtr antypyłowy, powstrzymujący większość pyłu, a następnie sprężając marsjańskie powietrze do ciśnienia około 7 barów. Gazowy dwutlenek węgla sprężony do takiego ciśnienia skrapla się, osiągając równowagę w normalnej marsjańskiej temperaturze. (Na Ziemi ciśnienie jest zbyt niskie, by występował płynny dwutlenek węgla). Cząstki marsjańskiego pyłu, które zdołają przejść przez filtry pompy, znajdą się w powstałym po sprężaniu roztworze lub wytrącą się na dnie zbiornika CO2. Natomiast azot i argon, wchodzące w skład powietrza, pozostaną w stanie gazowym i mogą być łatwo usunięte do atmosfery albo -jeszcze lepiej - zachowywane do wykorzystania w systemie podtrzymywania funkcji życiowych jako gazy buforowe. Odparowanie z pojemnika i destylacja da stuprocentowo czysty dwutlenek węgla, podczas gdy marsjański pył pozostanie w roztworze. Od połowy XVIII wieku, gdy Benjamin Franklin wprowadził urządzenie do destylacji do użytku w angielskiej marynarce wojennej, procesy oczyszczenia i destylacji wykorzystujące wspomniane zasady były stosowane powszechnie.

Po uzyskaniu czystego dwutlenku węgla mamy pewność, że żadne nie znane marsjańskie substancje nie mogły dostać się do środka; proces staje się całkowicie kontrolowany i przewidywalny. Najważniejsze będzie odpowiednie zaprojektowanie układu kontroli jakości uzyskiwanego dwutlenku węgla, bo pozostałe procesy chemiczne są znane i łatwe do przeprowadzenia na Ziemi w warunkach naśladujących warunki marsjańskie. Niezawodność procesu potwierdzą testy doświadczalne. Niewiele pozostałych kluczowych elementów załogowej wyprawy na Marsa (silniki, hamowanie atmosferyczne, spadochrony, systemy podtrzymywania funkcji życiowych, techniki spotkania oraz montażu orbitalnego itd.) będzie można sprawdzić na Ziemi równie dokładnie. Lokalna produkcja materiałów napędowych na Marsie nie będzie więc słabym ogniwem marsjańskiej misji; wręcz przeciwnie, będzie jednym z jej największych atutów.

Czysty dwutlenek węgla można poddać gwałtownej reakcji metanizacji, zwanej też reakcją Sabatiera, od nazwiska chemika, który zbadał ją dokładnie w drugiej połowie XIX wieku.

208 • CZAS MARSA

Podana poniżej reakcja Sabatiera polega na uzyskaniu metanu i wody z dwutlenku węgla i wodoru:

CO + 4H

CH

2H2O.

(D

Jest to reakcja egzotermiczna, tzn. prowadzi do wydzielania ciepła i zachodzi spontanicznie w obecności katalizatorów - niklu lub rutenu (nikiel jest tańszy, a ruten lepszy). Wartość stałej równowagi reakcji powoduje, że już po pierwszym cyklu bardzo często wydajność procesu sięga 99%. Reakcja Sabatiera, stosowana powszechnie od ponad 200 lat, była badana przez NASA, amerykańskie lotnictwo i firmy zainteresowane możliwościami jej wykorzystania w systemach podtrzymywania funkcji życiowych stacji kosmicznej i orbitującego laboratorium. Dla przykładu firma Hamilton Standard skonstruowała jednostkę, nadającą się do zastosowania na stacji kosmicznej i poddała ją testom, które trwały 4200 godzin.

Egzotermiczność reakcji Sabatiera oznacza, że nie trzeba dostarczać energii, by ją przeprowadzić. Konstrukcja reaktorów jest bardzo prosta: stalowe rury, lite i zwarte, zawierające złoże katalizatora. Na podstawie doświadczalnych prób, wykonanych w laboratorium Martin Marietta, uważam, że zestaw trzech reaktorów - każdy długości l m i z przekrojem o średnicy 12 cm -wystarczyłby do wyprodukowania metodą reakcji Sabatiera całego zapasu metanu na potrzeby projektu Mars Direct.

Uzyskiwany podczas reakcji (1) metan jest skraplany poprzez kontakt z ultrazimnym strumieniem wdmuchiwanego wodoru lub też (po wyczerpaniu zapasu ciekłego wodoru) w mechanicznej zamrażarce. (Metan przechodzi w stan ciekły w „łagodnie kriogenicznych" temperaturach, zbliżonych do temperatury ciekłego tlenu). Wytworzona podczas reakcji woda jest kondensowana i wprowadzana do pojemnika, następnie wpompowywana do ogniwa elektrolitycznego i poddawana dobrze znanej reakcji elektrolizy, w wyniku której rozkłada się na wodór i tlen:

2H2O

2H + O

2.

(2)

ODKRYWANIE MARSA • 209

Uzyskany tlen zostaje zamrożony i można go w tej postaci przechowywać, natomiast wodór nadaje się do ponownego wykorzystania w reakcji (1).

Elektroliza kojarzy nam się zazwyczaj z ulubionym szkolnym doświadczeniem chemicznym. Mamy przed oczyma obraz ogniwa elektrolitycznego, składającego się z pyreksowych zlewek i szklanych probówek. W rzeczywistości nowoczesne jednostki ogniw elektrolitycznych są obiektami bardzo gęsto upakowanymi i mocnymi - zawierają układane kolejno na sobie warstwy plastiku impregnowanego elektrolitem, oddzielone metalowymi siatkami, przy czym warstwy są ściskane na każdym końcu przez nasadki o metalowych końcówkach, przyśrubowane do prętów metalowych, które biegną wzdłuż całej długości stosu. Tego typu elektrolizery, wykorzystujące stałe polimeryczne elektrolity (SPE, ang. SolidPolymerElectrolyzer), zostały nadzwyczaj starannie opracowane, z zastosowaniem najnowocześniejszej techniki, do użytku na łodziach podwodnych z napędem jądrowym; dotychczas przepracowały ponad siedem milionów ogni-wogodzin. Przeprowadzone próby obejmowały narażanie elektro-lizerów na działanie bomb głębinowych i przeciążeń rzędu 200 g. Prototypy lekkich jednostek elektrolitycznych do użycia na stacji kosmicznej powstały w firmach Hamilton Standard oraz Life Sciences. Obie instalacje są wystarczające dla potrzeb misji przywiezienia na Ziemię próbek z Marsa z zastosowaniem ISPP. Jednostki dostarczone brytyjskiej marynarce wojennej przez Hamilton Standard mają odpowiednią wydajność, by produkować na Czerwonej Planecie paliwo potrzebne do powrotu na Ziemię załogowej misji marsjańskiej. Instalacje pracowały bez wykonywania żadnych zabiegów konserwacyjnych przez blisko 28 000 godzin, a więc okres czterokrotnie dłuższy od czasu eksploatacji, wymaganego przez projekt Mars Direct. Wanny elektrolityczne SPE na łodziach podwodnych są specjalnie bardzo ciężkie, gdyż spełniają jednocześnie rolę balastu. Dla potrzeb wypraw kosmicznych można bez trudu skonstruować znacznie lżejsze elektrolizery SPE.

Cykliczne wykorzystanie w reakcjach (1) i (2) całości ładunku ziemskiego wodoru do produkcji paliwa oznaczałoby prze-

210 • CZAS MARSA

kształcenie l kg wodoru przywiezionego na Marsa w 12 kg dwuskładnikowej mieszaniny napędowej metan/tlen o stosunku mas tlenu do metanu wynoszącym 2:1. Spalana w tej proporcji mieszanina dałaby impuls właściwy (Isp) sięgający 340 s. Rezultat zupełnie zadowalający, gdyby nie to, że optymalny stosunek mas tlenu do metanu w mieszaninie, zapewniający najkorzystniejsze spalanie, wynosi 3,5:1 i daje Isp równy 380 s oraz proporcję masy ziemskiego wodoru do masy dwuskładnikowego materiału napędowego w pobliżu 18:1. Projekt załogowej wyprawy według planu Mars Direct wymaga zapewnienia tych parametrów.

Konieczne staje się znalezienie dodatkowej ilości tlenu ponad uzyskaną dzięki reakcjom (1) i (2). Jedna z możliwości to bezpośrednia redukcja dwutlenku węgla:

2CO2 -» 2CO + O2.

(3)

Reakcja ta będzie zachodzić po podgrzaniu dwutlenku węgla do temperatury około 1100°C, w której gaz częściowo się rozkłada, uwalniając tlen. Powstający swobodny tlen można oddzielić od pozostałych gazów, stosując elektromechaniczne pompowanie poprzez ceramiczną, wykonaną z tlenku cyrkonu membranę pod napięciem. W latach siedemdziesiątych dr Robert Ash z JPL wysunął propozycję wykorzystania tej reakcji do produkcji tlenu na Marsie. Od tamtego czasu pomysł jest sprawdzany przez Asha (obecnie pracującego w Old Dominium University) oraz Kumara Ramohalliego i K. R. Sridhara (z Uniwersytetu Stanu Arizona). Zalety reakcji to zupełne uniezależnienie od innych procesów chemicznych oraz perspektywa produkcji nieograniczonych zapasów tlenu bez żadnych dodatkowych materiałów. Minusem jest łamliwość oraz niska wydajność rurek wykonanych z tlenku cyrkonu; z tych względów dla potrzeb załogowej wyprawy Mars Direct konieczne byłoby zastosowanie bardzo dużej ich ilości. Ponadto, w porównaniu z elektrolizą wody reakcja wymagałaby pięciokrotnie więcej energii na jednostkę masy wyprodukowanego tlenu. Naukowcy z Uniwersytetu Stanu Arizona donosili niedawno

Дата добавления: 2015-10-28